TW201802365A - 雙層滑動軸承 - Google Patents

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Abstract

雙層滑動軸承是由一內層和沿徑向設置在該內層的外周面的一外層經一體成形組成，該內層的內周面與該外層的外周面的其中之一成為該軸承的一軸承面，具有該軸承面的該內層或該外層是由成形密度較高的多孔隙材質製成的一薄壁層，並在其中可含有一定量的強化耐磨耗元素，不具有該軸承面的該內層或該外層是由成形密度較低的多孔隙材質製成的一厚壁層，並在其中可含有少量的該元素，因此在該軸承的雙層中具有明顯的密度和孔隙率的徑向段差，且在該軸承面上具有優異的耐磨耗性。

Description

雙層滑動軸承
本發明涉及一種雙層滑動軸承，尤指經一體成形的內、外雙層強固結構中具有明顯的密度和孔隙率的徑向段差，其中設有高孔隙率的厚壁層富含大量潤滑介質，設有軸承面的薄壁層成形為高密度，使該軸承兼具優異的軸承面耐磨耗性與順暢供應該潤滑介質至該軸承面的傳輸性，且適合長期穩定操作於嚴苛運轉條件下的該雙層滑動軸承。
滑動軸承由於不需頻繁與昂貴的維護而被廣泛使用在各種形式的器械中，通常是由粉末冶金技術經模壓和燒結形成多孔隙的均質結構，以便含浸潤滑油發揮自潤的功能；然而，在該軸承中若要達到高孔隙率就無法顧及高密度的結構強度與耐磨耗需求，反之，若要達到高密度就無法顧及高孔隙率的足夠含油量需求，因此將具有均質金屬結構的該滑動軸承操作於高負載、高轉速、高振動、低噪音等嚴苛運轉條件下，通常在短時間內即因整體結構弱、或因支承二部件間相對旋轉而滑動的軸承面的耐磨耗性差、或因孔隙率低使含浸不足的潤滑油耗盡或供應不及時，導致該軸承面發生高頻率的敲擊與碰撞引發過度的磨耗與發熱，而使該軸承的接觸壓力與速度極限值(PV limits)急速下降，終將出現失速、噪音、刮傷、擴孔及卡軸等異常現象而加速該二部件的磨損。
US2015/0010254A1與US2014/0234152A1已分別提出一種增加耐磨耗壽命的滑動軸承，其係分別將具有軸承面功能的一薄壁層由含有強化硬度或耐磨耗元素的粉體，和另一不具有軸承面功能的厚壁層由不含該等元素的粉體分隔在同一模具的模穴中，同時以相同的壓縮量一體成形製成，通過雙層中所含該等元素的徑向濃度差異，達到提升該軸承面的硬度或耐磨耗性並降低材料成本的功效；然而由於該雙層中難以同時兼顧結構強度、耐磨耗性及富含足夠的潤滑油，因此欲長期操作於上述嚴苛運 轉條件，尤其在PV極限值大於500MPa．m/min時將受到嚴峻的挑戰。
有鑑於此，業界迫切期盼開發出理想的滑動軸承，使其兼顧整體結構的強固性、軸承面的耐磨耗性、富含大量潤滑介質的多孔隙性、及傳輸該潤滑介質至軸承面的順暢性，以形成優質的磨潤界面，並具有精簡結構與簡化製程的量產性和降低成本的市場性，且適合長期穩定操作於嚴苛運轉條件下的新一代滑動軸承，以因應多元產業的需求。
為克服現有技術的缺失乃提出一種雙層滑動軸承，包括具有軸承面的一層由密度較高的多孔隙材質製成的薄壁層，不具有該軸承面的另一層由密度較低的多孔隙材質製成的厚壁層，因此在該雙層中具有明顯的密度和孔隙率的徑向段差，且在該軸承面上具有優異的耐磨耗性。
本發明雙層滑動軸承至少具有下列顯著優點：提供一種由較低密度的多孔隙材質製成的高孔隙率厚壁層，達到儲放大量潤滑介質以延長使用壽命的功效。
提供一種由較高密度的多孔隙材質製成的薄壁層，達到增強軸承面的耐磨耗性與抗疲勞摩擦的功效。
提供一種生產高成形密度薄壁層的製程技術，達到成形密度均勻化與優化軸承整體結構強度的功效。
提供一種具有沿軸向凹設至少一溝槽的軸孔，達到降低潤滑介質流失與避免磨耗殘屑破壞磨潤界面的功效。
提供一種一併將預製的高密度薄壁層和填充適用於低密度厚壁層的粉體經模壓一體成形的製程技術，達到簡化量產製程的功效。
提供一種一併完成薄壁層密度均勻化並形成多管道以貫通該薄壁層的製程技術，達到強化成形密度與順暢傳輸潤滑介質的功效。
提供一種兼具結構強、耐磨耗及優質潤滑的雙層滑動軸承，達到大幅提升PV極限值並適合操作於嚴苛運轉條件的功效。
本發明所述潤滑介質泛指黏稠性較低的潤滑油及黏稠性較高的潤滑劑，例如潤滑脂與含有固態潤滑粒子的潤滑劑等。
1,1a‧‧‧雙層滑動軸承
10,10a,10b‧‧‧內層
10A‧‧‧軸承面
10B‧‧‧安裝面
12‧‧‧軸孔
15‧‧‧凸肋
18‧‧‧溝槽
20,20a,20b‧‧‧外層
20A‧‧‧軸承面
20B‧‧‧安裝面
22‧‧‧粉體
25‧‧‧凹槽
30‧‧‧芯棒
30a‧‧‧容置槽
31‧‧‧模穴
32‧‧‧中模
32a‧‧‧容置槽
33‧‧‧中模面
34‧‧‧上沖頭
36‧‧‧下沖頭
38‧‧‧填充件
39‧‧‧通道
圖1 係本發明第一實施例雙層滑動軸承的分解立體圖。
圖2 係本發明第一實施例在模壓成形工序的模穴中依序裝入薄壁內層與填充件後填入成形厚壁外層粉體的剖面示意圖。
圖3 係本發明在圖2的工序中以上沖頭壓縮粉體的剖面示意圖。
圖4 係本發明在圖3的工序中將填充件收容於上沖頭的剖面示意圖。
圖5 係本發明在圖4的工序中將該軸承從模具中取出的剖面示意圖。
圖6 係本發明第二實施例雙層滑動軸承的分解立體圖。
圖7 係本發明第二實施例在模壓成形工序的模穴中依序裝入薄壁外層與填充件後填入成形厚壁內層粉體的剖面示意圖。
圖8 係本發明第三實施例在模壓成形工序的模穴中依序裝入薄壁內層後填入成形厚壁外層粉體的剖面示意圖。
圖9 係本發明第四實施例在模壓成形工序的模穴中依序裝入薄壁外層後填入成形厚壁內層粉體的剖面示意圖。
圖10 係本發明第五實施例中一種製造高密度薄壁層的分解與一體成形立體示意圖。
圖11 係本發明第六實施例中另一種製造高密度薄壁層的分解與一體成形立體示意圖。
以下參照圖1至圖11，對本發明雙層滑動軸承作進一步說明。
如圖1至圖5所示，係分別為第一實施例的分解立體圖與組裝剖面圖(參照圖5上方)及具體實現該雙層滑動軸承1量產的主要模壓成形工序的剖面示意圖；該雙層滑動軸承1為具有一中心通孔的柱體，特別是兩端呈平坦面的中空圓柱體，其係通過將一內層10和沿徑向設置在該內層10的外周面的一外層20經一體成形組成；應用時，例如：用於支承一軸芯(圖未示)旋轉而發生相對滑動的位置是由該內層10的內周面所形成的一圓形軸孔12，因此將該內層10的該內周面定義為該雙層滑動軸承1的一軸承面10A；實際應用中，上述定義的軸承面並不侷限於固定的滑動軸承與運動的軸芯，亦常見於固定的軸芯與運動的軸承(例如滑軌與滑輪)，因此，任何滑動 軸承的所述軸承面泛指“發生相對滑動的位置”而和軸承的運動與否無關；本發明該雙層滑動軸承1中具有該軸承面10A的該內層10是由較高成形密度的多孔隙材質製成的一薄壁層，並在其中可含有一定份量具有強化耐磨耗的元素，不具有該軸承面10A的該外層20則是由較低成形密度的多孔隙材質製成的一厚壁層，並在其中可含有少量強化耐磨耗的該元素。
上述含有耐磨耗元素的該薄壁層與該厚壁層，例如可以使用包括一定份量的Ni、Cr、Mo及Mn元素粉末中的至少一種，和常用的Fe、Cu及C元素粉末中的至少一種所摻合而成的粉體22經模壓成形，事實上由於具有高成形密度的該薄壁層已具有相當程度的結構強度與耐磨耗性，因此亦可依據應用的實際需要僅以Fe、Cu及C元素粉末中的至少一種所摻合而成的粉體22經模壓成形；上述Fe元素粉末包括純Fe粉末與Cu包Fe粉末，該Cu元素粉末與Cu包Fe粉末中的Cu元素包括紫銅、黃銅及青銅。
具體言之，如圖1與圖5上方所示，該雙層滑動軸承1包括具有較高成形密度的一薄壁內層10和具有較低成形密度且與該內層10等長的一厚壁外層20，該外層20的內周面的形狀和尺寸與該內層10的外周面相匹配，以便將該內層10與該外層20經由相互緊配並穩固結合成為一體的該雙層滑動軸承1，其中該內層10的內周面為軸承面10A，該外層20的外周面為安裝面20B，從而在該軸承1的該內層10與該外層20具有明顯的密度和孔隙率的徑向段差，並在該軸承面10A上具有優異的耐磨耗性。
本實施例在該內層10的外周面還間隔設置沿軸向延伸的三凸肋15，以便與該外層20的內周面對應設置和該三凸肋15形狀互補的三凹槽25相互卡合，從而提升該軸承1的結構強度以強化負載與抗振能力；同樣地，該三凸肋15亦可設在該外層20的內周面，以便與該內層10的外周面對應設置的該三凹槽25相互卡合；該凸肋15與該凹槽25的位置、數目、大小及形狀顯然不必受限於圖式所示即可達到上述相同的功效。
該雙層滑動軸承1的軸孔12壁面還沿軸向間隔凹設三溝槽18，除可將滲流至該軸孔12上多餘的潤滑介質透過軸芯的旋轉導入該溝槽18，以降低潤滑介質耗損並防範馬達內部遭受潤滑介質污染，且可將長期磨潤可能剝離的微細殘屑或產生的氧化物透過軸芯的旋轉導入該溝槽18， 更可在高速旋轉的軸芯與軸孔12間透過該溝槽18產生的渦流增加支承軸芯的PV極限值，達到提升操作性能與延長使用壽命的功效；該溝槽18的形狀、數目、尺寸及位置不必受限於圖式所示即可達到上述相同的功效。
如圖2至圖5所示，為另一種具體實現該雙層滑動軸承1的模壓成形工序，其與前述需分別完成該內層10與外層20後再經由緊配組裝成為一體的該軸承1的主要區別在於：僅需將預先製備的該高密度薄壁內層10裝入模具中並填入成形該外層20的粉體22，經由該成形工序，即可製成將該內層10和沿徑向設置在該內層10的外周面所成形的該外層20緊密結合並一體成形為該軸承1，從而達到大幅簡化製程與提升產品品質的功效。
該模具包括設於中央的芯棒30、圍設於該芯棒30的中模32、及分別設於該芯棒30與該中模32間的上沖頭34與下沖頭36，由上述芯棒30、中模32、上沖頭34及下沖頭36合圍形成一模穴31，並均能獨立地升降與定位，且上沖頭34與下沖頭36能獨立地對成形件施加預設的成形壓力。
如圖2所示，在該模具中已將該上沖頭34升至遠離中模面33的上方，在模穴31中，先將該薄壁內層10的軸承面10A貼設在芯棒30的壁面並與該下沖頭36貼合，再將與該內層10具有相同壁厚和內徑的填充件38裝入該模穴31中並與該內層10的上端面貼合，且該填充件38的上端面與中模面33同高，隨後，在該模穴31的其餘空間內填入成形該外層20的粉體22。
如圖3所示，以該上沖頭34朝下施壓該粉體22直到和該內層10的上端面同高為止，從而將該內層10和該外層20一體成形為該軸承1。
再則，如圖4所示，將該填充件38收容於該上沖頭34內，並使該上沖頭34上升至和該中模面33的距離大於該內層10的軸向長度。
最後，如圖5所示，以該下沖頭36上升至該中模面33，將該雙層滑動軸承1從該模穴31中取出。
如圖6與圖7所示，為第二實施例雙層滑動軸承1a的分解立體圖與該軸承1a的模壓成形工序示意圖，其與前述實施例的主要區別在於：該雙層滑動軸承1a的高成形密度薄壁外層20的外周面為軸承面20A，低成形密度厚壁內層10的內周面為裝配面10B，同樣可以先分別製備該內層10與該外層20後，再經由緊配組裝成為一體的該雙層滑動軸承1a。
該雙層滑動軸承1a亦可釆取和第一實施例相同的模壓成形工序，如圖7所示，在該模具的該模穴31中，先將預製的該薄壁外層20的軸承面20A貼設在該中模32的壁面並與下沖頭36貼合，再將與該外層20具有相同壁厚和內徑的填充件38裝入該模穴31中並與該外層20的上端面貼合，然後在該模穴31的其餘空間中填入成形該內層10的粉體22，再依循第一實施例相同的後續成形工序，將該外層20和該內層10一體成形為該軸承1a。
如圖8所示，為第三實施例該雙層滑動軸承1的另一種模壓成形工序示意圖，其與第一實施例的主要區別在於：在模具的模穴31中，先將預製的該薄壁內層10裝入已形成於芯棒30的一容置槽30a內，使該軸承面10A密貼於該容置槽30a的軸向壁面，該容置槽30a為自該芯棒30頂端沿徑向切除至與該內層10同厚度並沿軸向切除至與該內層10同高度的一環狀槽，隨後在該模穴31的其餘空間中填入成形該厚壁外層20的粉體22，然後將上沖頭34下降使其端面抵靠在該內層10與該粉體22上緣，再以下沖頭36朝上施壓該粉體22直到與該內層10的下端面同高為止，從而將該內層10和該外層20一體成形為該雙層滑動軸承1，最後使中模32與芯棒30下降將該雙層滑動軸承1脫離該模穴31，由於上述模壓成形工序不需要第一實施例中的填充件38，因此顯著簡化製程與降低成本而更具量產性。
如圖9所示，為第四實施例該雙層滑動軸承1a的另一種模壓成形工序示意圖，其與第二實施例的主要區別在於：在模具的模穴31中，先將預製的該薄壁外層20裝入已形成於中模32的一容置槽32a內，使該軸承面20A密貼於該容置槽32a的軸向壁面，該容置槽32a為自該中模32頂端沿徑向切除至與該外層20同厚度並沿軸向切除至與該外層20同高度的一環狀槽，隨後在該模穴31的其餘空間中填入成形該厚壁內層10的粉體22，然後將上沖頭34下降使其端面抵靠在該外層20與該粉體22上緣，再以下沖頭36朝上施壓該粉體22直到與該外層20的下端面同高為止，從而將該外層20和該內層10一體成形為該雙層滑動軸承1a，由於上述模壓成形工序也不需要第二實施例中的填充件38，因此顯著簡化製程與降低成本而更具量產性。
如圖10所示，為第五實施例該雙層滑動軸承1,1a中一種製造高密度的薄壁內層10(第一與第三實施例)與薄壁外層20(第二與第四實施例) 的分解與一體成形立體示意圖，其中，第一實施例內層10設置的凸肋15與溝槽18已予省略以簡化說明；由於當該薄壁層10(或20)過薄時會使粉體22的填充性變差，過厚時如使用耐磨耗元素或Cu元素又會因使用量增加導致材料成本增高。本實施例提出解決所述問題的技術手段為：首先，在一模具中以上沖頭34與下沖頭36的至少其一朝成形該薄壁層10(或20)的粉體22施壓，分別成形為與該薄壁層10(或20)具有相同壁厚和內徑的至少二較短薄壁層10a,10b(或20a,20b)，圖10中僅以示意的二較短薄壁層10a,10b(或20a,20b)顯示，該至少二較短薄壁層10a,10b(或20a,20b)沿軸向對接的總長度大於該薄壁層10(或20)的長度，使各較短薄壁層10a,10b(或20a,20b)的成形密度低於該薄壁層10(或20)的成形密度；再將沿軸向對接的該至少二較短薄壁層10a,10b(或20a,20b)置入該模具中，然後以該上沖頭34與該下沖頭36的至少其一朝該軸向對接的至少二較短薄壁層10a,10b(或20a,20b)施壓，直到壓縮成與該薄壁層10(或20)具有相同的長度為止。該較短薄壁層10a,10b(或20a,20b)的數目與個別的長度及壓縮成形的次數，皆可依據實際應用需要作相應的調整與變化，從而製造出該軸承1,1a中強固的該薄壁層10(或20)。
如圖11所示，為第六實施例中另一種製造高密度的薄壁內層10(第一與第三實施例)與薄壁外層20(第二與第四實施例)的分解與一體成形立體示意圖，旨在說明第五實施例中強化該薄壁層10(或20)結構的同時，還能確保順暢輸送潤滑介質至軸承面10A(或20A)的技術手段；其與第五實施例的主要區別在於：將預先分別成形並在第五實施例中沿軸向對接的該至少二較短薄壁層10a,10b(或20a,20b)的各相鄰二端面的至少其一上，設置貫通該相鄰二較短薄壁層10a,10b(或20a,20b)間的至少一組多個孔道39，圖11中仍僅以示意的二較短薄壁層10a,10b(或20a,20b)顯示；由於該等孔道39的等效水力直徑遠大於該薄壁層10(或20)中多孔隙的總等效水力直徑，使該等孔道39在該軸承1(或1a)中成為連通該厚壁層20(或10)與軸承面10A(或20A)之間的低流阻通道，將富含在該厚壁層20(或10)中的潤滑介質均勻分布在該軸承面10A(或20A)上；如此不但能強化該軸承1(或1a)的整體結構與該軸承面10A(或20A)的耐磨耗性，更能確保輸送潤滑介質至該軸承面10A(或20A)的順暢性，從而大幅提升該軸承1(或1a)的PV極限值，並適合長期操作於所 述嚴苛運轉條件下建立優質的潤滑界面；該多個孔道39的形狀、尺寸、位置、數目，及分別設置在各相鄰二端面上的二組多個孔道39不論採用交錯或對位的排列方式，皆不必受限於圖式所示即可達到上述相同的功效。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。然而以上所述者僅為說明本發明技術特徵的較佳實施例，自不能以此限制本案的申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作的等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
1‧‧‧雙層滑動軸承
10‧‧‧內層
10A‧‧‧軸承面
12‧‧‧軸孔
15‧‧‧凸肋
18‧‧‧溝槽
20‧‧‧外層
20B‧‧‧安裝面
25‧‧‧凹槽

Claims (10)

  1. 一種雙層滑動軸承，包括一內層和沿徑向設置在該內層的外周面的一外層經模壓一體成形組成，該內層的內周面與該外層的外周面的其中之一成為該軸承的一軸承面，具有該軸承面的該內層或該外層是由成形密度較高的多孔隙材質製成的一薄壁層，不具有該軸承面的該內層或該外層是由成形密度較低的多孔隙材質製成的一厚壁層，因此在該軸承的雙層中具有明顯的密度和孔隙率的徑向段差。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的雙層滑動軸承，其中該外層的內周面形狀和尺寸與該內層的該外周面相匹配，以便將該內層與同高度的該外層相互緊配並穩固結合成為一體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的雙層滑動軸承，其中在該內層的該外周面設置沿軸向延伸的至少一凸肋，並在該外層的該內周面對應設置至少一凹槽，或在該內層的該外周面設置沿軸向延伸的至少一凹槽，並在該外層的該內周面對應設置至少一凸肋，以便該至少一凸肋與該至少一凹槽相互卡合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的雙層滑動軸承，其中該薄壁層與該厚壁層的至少其一由Fe、Cu及C元素粉末中的至少一種所摻合而成的粉體經模壓成形，其中該Fe元素粉末包括純Fe粉末與Cu包Fe粉末，該Cu元素粉末與該Cu包Fe粉末中的該Cu元素包括紫銅、黃銅及青銅。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的雙層滑動軸承，其中該薄壁層與該厚壁層的至少其一由含有Ni、Cr、Mo及Mn元素粉末中的至少一種與Fe、Cu及C元素粉末中的至少一種所摻合而成的粉體經模壓成形，其中該Fe元素粉末包括純Fe粉末與Cu包Fe粉末，該Cu元素粉末與該Cu包Fe粉末中的該Cu元素包括紫銅、黃銅及青銅。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的雙層滑動軸承，其中在該內層的軸承面凹設有沿軸向延伸的至少一溝槽。
  7. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的雙層滑動軸承，其中在模具的模穴中，先將預製的該薄壁層的該軸承面貼設在芯棒的壁面和中模的壁面的其中之一並與下沖頭貼合，再將與該薄壁層具有相同壁厚和內徑的填充件裝入該模穴中並與該薄壁層的上端面貼合，且該填充件的上端面與中模面同高，隨後在該模穴的其餘空間中填入成形該厚壁層的粉體，然後以上沖頭朝下施壓該粉體直到和該薄壁層的上端面同高為止，從而將該薄壁層和該厚壁層一體成形為該雙層滑動軸承。
  8. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的雙層滑動軸承，其中在模具的模穴中，先將預製的該薄壁層裝入芯棒和中模的其中之一的一容置槽內，使該軸承面密貼於該容置槽的軸向壁面，該容置槽為自該芯棒或該中模頂端沿徑向切除至與該薄壁層同厚度並沿軸向切除至與該薄壁層同高度的一環狀槽，隨後在該模穴的其餘空間中填入成形該厚壁層的粉體，然後將上沖頭下降使其端面抵靠在該薄壁層與該粉體上緣，再以下沖頭朝上施壓該粉體直到其端面與該薄壁層的下端面同高為止，從而將該薄壁層和該厚壁層一體成形為該雙層滑動軸承。
  9. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的雙層滑動軸承，先在一模具中以上沖頭與下沖頭的至少其一朝成形該薄壁層的粉體施壓，分別成形為與該薄壁層具有相同壁厚和內徑的至少二較短薄壁層，該至少二較短薄壁層沿軸向對接的總長度大於該薄壁層的長度，且各較短薄壁層的成形密度低於該薄壁層的成形密度，再將沿軸向對接的該至少二較短薄壁層置入該模具中，然後以該上沖頭與該下沖頭的至少其一朝該軸向對接的該至少二較短薄壁層施壓，直到壓縮至與該薄壁層具有相同的長度為止，從而將該至少二較短薄壁層一體成形為該薄壁層。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的雙層滑動軸承，其中在該軸向對接的該至少二較短薄壁層中各相鄰二端面的至少其一上，設置貫通該相鄰二端面間的至少一組多個孔道。
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